ITRM20120415A1 - THERMOIONIC CONVERTER - Google Patents
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Classifications
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- H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators
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Description
Descrizione dell'Invenzione avente per titolo: "Convertitore termoionico" Description of the Invention entitled: "Thermionic converter"
Campo dell'Invenzione Field of the Invention
L’invenzione concerne un dispositivo per la captazione e la conversione dell’energia solare dalla forma di radiazione in energia elettrica e termica, che comprende un catodo a spirale configurato per generare un campo magnetico assiale in grado di deflettere gli elettroni emessi dal catodo verso gli anodi disposti radialmente. The invention concerns a device for capturing and converting solar energy from the form of radiation into electrical and thermal energy, which includes a spiral cathode configured to generate an axial magnetic field capable of deflecting the electrons emitted by the cathode towards the radially arranged anodes.
Scopo dell’invenzione à ̈ di ottenere rendimenti di conversione elevati e semplicità nella messa in opera in sistemi di concentrazione dell’energia solare in schiere lineari. The purpose of the invention is to obtain high conversion efficiency and simplicity in the installation in solar energy concentration systems in linear arrays.
Arte Nota Note Art
Gli attuali sistemi di conversione termoionica sono principalmente di tre tipi: convertitori a spazio ridotto; convertitori a campo elettrico; convertitori a vapori di cesio. Current thermionic conversion systems are mainly of three types: space-saving converters; electric field converters; cesium vapor converters.
Tutti questi tipi lavorano riducendo il più possibile, da 0.3 mm a qualche micron, la distanza tra gli elettrodi, ed utilizzando un campo elettrico per abbassare la funzione di lavoro del catodo e/o dei vapori di cesio ionizzati, per ridurre la carica spaziale tra gli elettrodi. All these types work by reducing as much as possible, from 0.3 mm to a few microns, the distance between the electrodes, and using an electric field to lower the working function of the cathode and / or ionized cesium vapors, to reduce the space charge between the electrodes.
Per la conversione si sfrutta un ciclo termodinamico in cui l'energia termica, convertita in energia cinetica degli elettroni, viene estratta da essi, per mezzo del campo elettrico inverso, rallentandoli fino ad impattare sull'anodo, dove l'energia cinetica residua viene dissipata dal sistema di raffreddamento. For the conversion, a thermodynamic cycle is used in which the thermal energy, converted into kinetic energy of the electrons, is extracted from them, by means of the reverse electric field, slowing them down to impact on the anode, where the residual kinetic energy is dissipated. from the cooling system.
I tipi di convertitori sopra descritti hanno un principale difetto: la maggior parte dell'energia utilizzata per riscaldare il catodo, alla temperatura di emissione termoionica dei materiali, passa direttamente dal catodo all'anodo per irraggiamento e viene dissipata dal sistema di refrigerazione a causa dell’affaccio diretto e ravvicinato delle superfici dei due elettrodi. The types of converters described above have a main flaw: most of the energy used to heat the cathode, at the thermionic emission temperature of the materials, passes directly from the cathode to the anode by radiation and is dissipated by the refrigeration system due to the € ™ direct and close view of the surfaces of the two electrodes.
Non essendo trasportata dagli elettroni, Ã ̈ energia persa dal sistema, e questo abbatte drasticamente il rendimento di conversione. Not being transported by electrons, it is energy lost by the system, and this drastically reduces the conversion efficiency.
Due strategie sono adottate principalmente in questi dispositivi per aggirare questo problema: Two strategies are mainly adopted in these devices to get around this problem:
- Diminuire la temperatura di emissione termoionica attraverso la scelta di materiali con funzione di lavoro più bassa, e ridurre la distanza tra catodo e anodo (catturando elettroni con energia cinetica minore); - Decrease the thermionic emission temperature through the choice of materials with a lower working function, and reduce the distance between cathode and anode (by capturing electrons with lower kinetic energy);
- Ridurre la funzione di lavoro del catodo mediante l'applicazione di un campo elettrico di estrazione tramite una lavorazione foto-litografica della superficie del catodo e la deposizione di una griglia di estrazione, a pochi micron di distanza dalle superfici emittenti. Il campo elettrico applicato, abbatte la funzione di lavoro del catodo, permettendo l'emissione termoionica anche a temperatura ambiente. - Reduce the working function of the cathode by applying an extraction electric field through a photo-lithographic processing of the cathode surface and the deposition of an extraction grid, a few microns away from the emitting surfaces. The applied electric field reduces the work function of the cathode, allowing the thermionic emission even at room temperature.
Entrambi i metodi aumentano l'efficienza di conversione dei rispettivi dispositivi riducendo l'emissione per irraggiamento del catodo, e quindi dell'energia persa, ma, per contro, riducono drasticamente l'efficienza termodinamica, che à ̈ data dalla differenza di temperatura tra anodo e catodo; il prodotto delle due efficienze dà l’efficienza totale del dispositivo. Both methods increase the conversion efficiency of the respective devices by reducing the radiation emission of the cathode, and therefore of the lost energy, but, on the other hand, they drastically reduce the thermodynamic efficiency, which is given by the temperature difference between the anode. and cathode; the product of the two efficiencies gives the total efficiency of the device.
Nei dispositivi termoionici della tecnica anteriore sono state proposte alcune soluzioni comprendenti catodi aventi forma ad elica. In the thermionic devices of the prior art some solutions have been proposed comprising cathodes having a helical shape.
A titolo esemplificativo, la domanda di brevetto GB 2192751 descrive la struttura ed il metodo di realizzazione di alcuni catodi per dispositivi termoionici. La collimazione del fascio di elettroni à ̈ ottenuta anche mediante una forma cilindrica del catodo e mediante altresì una compensazione del campo magnetico generato dalla corrente di riscaldamento del catodo effettuata dalla disposizione dei conduttori secondo un percorso bifilare a spirali parallele in cui, all’andata del circuito di alimentazione, la corrente scorre in un verso su una prima spirale e, al ritorno del circuito di alimentazione, scorre nel verso opposto su una seconda spirale immediatamente adiacente alla prima. In questo modo si ottengono due percorsi ad elica adiacenti che vengono percorsi dalla corrente di riscaldamento in versi opposti, compensando il campo magnetico generato dalla corrente stessa per annullarlo. Lo stesso documento GB 2192751 descrive analoghe soluzioni in cui il campo magnetico viene annullato con disposizioni dei conduttori in piano con forma a spirale avvolta a doppio filo o a meandri paralleli. By way of example, patent application GB 2192751 describes the structure and method of manufacturing some cathodes for thermionic devices. The collimation of the electron beam is also obtained by means of a cylindrical shape of the cathode and also by means of a compensation of the magnetic field generated by the heating current of the cathode carried out by the arrangement of the conductors along a two-wire path with parallel spirals in which, at the flow of the power supply circuit, the current flows in one direction on a first spiral and, when the power supply circuit returns, it flows in the opposite direction on a second spiral immediately adjacent to the first. In this way, two adjacent helical paths are obtained which are crossed by the heating current in opposite directions, compensating for the magnetic field generated by the current itself to cancel it. The same document GB 2192751 describes similar solutions in which the magnetic field is canceled with arrangements of the conductors in plan with a spiral shape wound with double wire or with parallel meanders.
Sommario dell'Invenzione Summary of the Invention
La finalità della presente invenzione à ̈ di rendere economicamente conveniente lo sfruttamento dell’energia solare da irraggiamento diretto negli impianti a concentrazione per la produzione di energia elettrica, aumentando la potenza convertita per unità di superficie esposta tramite l’aumento del rendimento di conversione elettrica. The purpose of the present invention is to make the exploitation of solar energy from direct radiation in concentrating plants for the production of electricity economically convenient, increasing the converted power per unit of exposed surface by increasing the conversion efficiency. electric.
Per ottenere questo risultato si utilizza un convertitore termoionico ad alta temperatura progettato per aumentarne il rendimento, con il quale ci si propone: To obtain this result, a high temperature thermionic converter designed to increase its efficiency is used, with which we propose:
- di abbattere l'energia persa per irraggiamento, utilizzando un più efficiente sistema di coibentazione, realizzato tramite schermi di radiazione sotto vuoto, in modo da riflettere la maggior parte dell'energia irradiata dal catodo, di nuovo sul catodo stesso; - di abbattere l'energia scambiata tra catodo ed anodo per irraggiamento diretto, sfruttando il reciproco posizionamento delle superfici, allineandole sullo stesso piano, in modo che, non essendo direttamente affacciate, si possano scambiare energia in maniera molto limitata; - to break down the energy lost by radiation, using a more efficient insulation system, made by means of vacuum radiation screens, so as to reflect most of the energy radiated by the cathode, back on the cathode itself; - to break down the energy exchanged between cathode and anode by direct irradiation, exploiting the reciprocal positioning of the surfaces, aligning them on the same plane, so that, not being directly facing each other, energy can be exchanged in a very limited way;
- di curare il collegamento elettrico del catodo tramite un allungamento del percorso di uscita in modo da limitare le perdite per conduzione termica attraverso i conduttori elettrici ed abbassare la temperatura di uscita dei terminali, e - to take care of the electrical connection of the cathode by lengthening the output path in order to limit the losses due to thermal conduction through the electrical conductors and to lower the output temperature of the terminals, and
- di deflettere in modo efficiente e semplice gli elettroni emessi dal catodo verso gli anodi. - to efficiently and simply deflect the electrons emitted from the cathode towards the anodes.
Questi accorgimenti permettono di far lavorare il catodo emettitore alla massima temperatura mantenibile dal catodo che può indicativamente variare tra 2300°C e 3100°C per catodi di tungsteno, carbonio, tantalio o renio, ma che può anche essere in altri range di temperature per catodi di altri materiali, abbattendo drasticamente le perdite per irraggiamento del sistema e permettendo di risollevare e massimizzare il rendimento termodinamico e quindi quello totale. These measures allow the emitter cathode to work at the maximum temperature that can be maintained by the cathode which can indicatively vary between 2300 ° C and 3100 ° C for tungsten, carbon, tantalum or rhenium cathodes, but which can also be in other temperature ranges for cathodes. of other materials, drastically reducing the losses due to irradiation of the system and allowing to raise and maximize the thermodynamic efficiency and therefore the total one.
Il dispositivo dell'invenzione à ̈ un convertitore termoionico con una disposizione lineare dei componenti, adatto alla conversione diretta di energia solare in energia elettrica e al tempo stesso adatto per la generazione combinata di calore ed energia, in forma di tubo allungato preferibilmente sottovuoto, di vetro o altro materiale trasparente stabile al calore con un catodo avvolto a spirale, configurato per generare un campo magnetico assiale in grado di deflettere gli elettroni emessi dal catodo verso almeno un anodo disposto longitudinalmente e radialmente al catodo stesso, che à ̈ montato al centro del tubo. The device of the invention is a thermionic converter with a linear arrangement of the components, suitable for the direct conversion of solar energy into electrical energy and at the same time suitable for the combined generation of heat and energy, in the form of an elongated tube, preferably vacuum, of glass or other transparent heat stable material with a spiral wound cathode, configured to generate an axial magnetic field capable of deflecting electrons emitted from the cathode towards at least one anode disposed longitudinally and radially to the cathode itself, which is mounted in the center of the tube.
Il convertitore termoionico secondo l’invenzione vantaggiosamente comprende altresì mezzi per il raffreddamento diretto dell'almeno un anodo e mezzi per la connessione elettrica del catodo e dell'almeno un anodo dall'interno verso l'esterno, in modo tale che il convertitore à ̈ in grado di lavorare alla massima temperatura sopportata dal catodo ed in cui il trasferimento di calore per conduzione à ̈ limitato mediante un cammino di connessione allungato con connettori elettrici, in cui tutte le superfici del catodo e dell'almeno un anodo (che ha una forma schiacciata avente due facce principali) sono usate come superfici per l'emissione e l'assorbimento di elettroni. The thermionic converter according to the invention also advantageously comprises means for the direct cooling of the at least one anode and means for the electrical connection of the cathode and of the at least one anode from the inside towards the outside, so that the converter It is able to work at the maximum temperature tolerated by the cathode and in which the heat transfer by conduction is limited by means of an elongated connection path with electrical connectors, in which all the surfaces of the cathode and of the at least one anode (which has a flattened shape having two main faces) are used as surfaces for the emission and absorption of electrons.
Il convertitore secondo l’invenzione comprende ulteriormente una finestra ottica di accesso lungo un’area superficiale del tubo, che costituisce un elemento ottico del sistema di concentrazione (eventualmente in forma di lente cilindrica, o altri tipi di lenti o di prismi di concentrazione realizzabili o variando la forma della parete del tubo o tramite dispositivi addizionali) che permette l'uso di sistemi di concentrazione lineare dell'energia solare come specchi cilindrico-parabolici. The converter according to the invention further comprises an optical access window along a surface area of the tube, which constitutes an optical element of the concentration system (possibly in the form of a cylindrical lens, or other types of lenses or concentration prisms achievable either by varying the shape of the tube wall or by additional devices) which allows the use of linear concentration systems of solar energy such as cylindrical-parabolic mirrors.
Il catodo à ̈ fatto di materiale refrattario conduttivo, à ̈ sospeso nel tubo con una forma a spirale allungata che rappresenta l'elemento per la cattura dell'energia solare su cui à ̈ focalizzata direttamente la luce del sole per effettuare la conversione termoionica, senza alcun mezzo intermedio di trasferimento del calore ed in cui le connessioni elettriche con l'esterno formano un cammino allungato per limitare le perdite per conduzione termica. The cathode is made of conductive refractory material, it is suspended in the tube with an elongated spiral shape that represents the element for capturing solar energy on which the sunlight is directly focused to carry out the thermionic conversion, without any intermediate means of heat transfer and in which the electrical connections with the outside form an elongated path to limit losses due to thermal conduction.
La forma a spirale del catodo consente anche di compensare l'espansione termica del catodo stesso. The spiral shape of the cathode also allows to compensate for the thermal expansion of the cathode itself.
Inoltre, detto almeno un anodo à ̈ preferibilmente provvisto di uno o più magneti di deflessione per la generazione di un campo magnetico. Furthermore, said at least one anode is preferably provided with one or more deflection magnets for generating a magnetic field.
Il convertitore termoionico secondo l’invenzione può essere altresì provvisto di elettrodi a griglia per la generazione di campi elettrici in modo analogo ai convertitori della tecnica anteriore. The thermionic converter according to the invention can also be provided with grid electrodes for the generation of electric fields in a similar way to the converters of the prior art.
Il tubo à ̈ vantaggiosamente provvisto di schermi di radiazione configurati per limitare lo scambio di calore di radiazione con l'esterno; inoltre lo scambio di calore di radiazione fra il catodo e detto almeno un anodo à ̈ limitato dalle posizioni ed orientazioni relative del catodo e di detto almeno un anodo, che si affacciano l’un l’altro con rispettivi profili in modo da realizzare un posizionamento reciproco di minimo irraggiamento e minimizzare il fattore o coefficiente di vista, ad esempio realizzando un fattore di vista che varia preferibilmente fra 0.001 e 0.35, più preferibilmente fra 0.001 e 0.1, più preferibilmente fra 0.001 e 0.05. The tube is advantageously provided with radiation screens configured to limit the heat exchange of radiation with the outside; moreover, the exchange of heat of radiation between the cathode and said at least one anode is limited by the relative positions and orientations of the cathode and said at least one anode, which face each other with respective profiles so as to achieve a reciprocal positioning of minimum irradiation and minimizing the view factor or coefficient, for example by realizing a view factor which varies preferably between 0.001 and 0.35, more preferably between 0.001 and 0.1, more preferably between 0.001 and 0.05.
Il convertitore ha un accesso per tubi di raffreddamento di detto almeno un anodo attraverso diaframmi flessibili, preferibilmente ad entrambe le estremità opposte del tubo stesso, e fili elettrici per la connessione, preferibilmente con entrambi i lati, in modo da permettere una facile installazione di una pluralità di unità allineate in file per mezzo di connessioni idrauliche ed elettriche. In particolare, il convertitore comprende preferibilmente almeno un tubo cavo appiattito longitudinalmente in modo da realizzare due facce piane inclinate l'una rispetto all'altra e disposte simmetricamente rispetto ad un piano, e tale almeno un tubo cavo viene montato in modo che tale piano di simmetria sia passante per un diametro del catodo. Tale almeno un tubo cavo ha la tripla funzione di: essere gli elettrodi di connessione con l'esterno, formare la superficie di conversione di almeno un anodo con un basso coefficiente di vista fra il catodo e l’anodo/gli anodi e raffreddare, tramite circolazione di fluido di raffreddamento, l’anodo/gli anodi per lavorare alla temperatura più bassa possibile, preferibilmente <400°C, tipicamente 50-100°C o meno, compatibilmente con un raffreddamento efficiente, permettendo al tempo stesso il recupero di calore per usi a basse temperature. A titolo esemplificativo e non limitativo, il convertitore può comprendere (almeno) una coppia di tali tubi cavi appiattiti longitudinalmente montati diametralmente ai lati del catodo. Le superfici di conversione dell’almeno un anodo possono essere rivestite da uno strato funzionale che agevoli, per esempio, la cattura degli elettroni. Tra questi può essere vantaggioso un rivestimento in bario. The converter has an access for cooling pipes of said at least one anode through flexible diaphragms, preferably at both opposite ends of the pipe itself, and electrical wires for the connection, preferably with both sides, so as to allow an easy installation of a plurality of units aligned in rows by means of hydraulic and electrical connections. In particular, the converter preferably comprises at least one hollow tube flattened longitudinally so as to form two flat faces inclined to each other and arranged symmetrically with respect to a plane, and such at least one hollow tube is mounted so that said plane of symmetry is passing through a cathode diameter. This at least one hollow tube has the triple function of: being the connecting electrodes with the outside, forming the conversion surface of at least one anode with a low coefficient of view between the cathode and the anode (s) and cooling, through circulation of cooling fluid, the anode (s) to work at the lowest possible temperature, preferably <400 ° C, typically 50-100 ° C or less, compatibly with efficient cooling, while allowing the recovery of heat for use at low temperatures. By way of non-limiting example, the converter may comprise (at least) a pair of such longitudinally flattened hollow tubes mounted diametrically to the sides of the cathode. The conversion surfaces of the at least one anode can be coated with a functional layer that facilitates, for example, the capture of electrons. Among these, a barium coating may be advantageous.
Il tubo del convertitore à ̈ un tubo ad alto vuoto, ma può anche essere un tubo a vapori di cesio e comprende schermi di radiazione lungo la superficie interna, eccetto per la finestra di accesso ottico (di seguito nominata anche finestratura di accesso), per minimizzare le perdite di radiazione. The converter tube is a high vacuum tube, but it can also be a cesium vapor tube and includes radiation shields along the inner surface, except for the optical access window (hereafter also referred to as the access window), for minimize radiation losses.
Il convertitore comprende ulteriormente mezzi per il blocco meccanico ad una delle, o preferibilmente ad entrambe le, estremità del tubo per l'esatto allineamento degli elementi e per il posizionamento del convertitore rispetto al sistema ottico di concentrazione. The converter further comprises means for mechanical locking at one of, or preferably at both, ends of the tube for the exact alignment of the elements and for positioning the converter with respect to the optical concentration system.
Il convertitore à ̈ impiegabile in combinazione con un sistema ottico di concentrazione dell'energia interno o esterno al tubo. The converter can be used in combination with an optical energy concentration system inside or outside the tube.
Altri oggetti dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue. Other objects of the invention will become apparent from the following description.
Breve Descrizione delle Figure Brief Description of the Figures
La Figura 1 mostra un prospetto assonometrico d’insieme di una applicazione di una prima forma di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione, in cui à ̈ rappresentato a titolo esemplificativo e non limitativo il posizionamento di alcune unità del convertitore termoionico 1 disposte lungo la linea focale di una fila di specchi cilindrico -parabolici 2. Figure 1 shows an axonometric overview of an application of a first embodiment of the thermionic converter according to the invention, in which the positioning of some units of the thermionic converter 1 arranged along the focal line of a row of cylindrical-parabolic mirrors 2.
La Figura 2 mostra una sezione trasversale della prima forma di realizzazione del convertitore termoionico con catodo a sezione cilindrica. Figure 2 shows a cross section of the first embodiment of the thermionic converter with cylindrical section cathode.
La Figura 2A mostra una sezione trasversale analoga a quella della Figura 2 con catodo a sezione schiacciata longitudinalmente 28. Figure 2A shows a cross section similar to that of Figure 2 with cathode having a longitudinally flattened section 28.
La Figura 3 mostra un prospetto assonometrico (Fig. 3a), un prospetto assonometrico sezionato longitudinalmente secondo due piani assiali ortogonali (Fig. 3b), una vista laterale (Fig. 3c), una vista laterale in sezione (Fig. 3d), ed una vista in sezione trasversale (Fig. 3e) del catodo 24 del convertitore termoionico di Figura 2. Figure 3 shows an isometric elevation (Fig.3a), an isometric elevation sectioned longitudinally according to two orthogonal axial planes (Fig.3b), a side view (Fig.3c), a lateral sectional view (Fig.3d), and a cross-sectional view (Fig. 3e) of the cathode 24 of the thermionic converter of Fig. 2.
La Figura 4 mostra una vista laterale (Fig. 4a), una sezione longitudinale (Fig. 4b) ed una sezione trasversale (Fig. 4c) secondo il piano B-B di Figura 4a del catodo di una seconda forma di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione. Figure 4 shows a side view (Fig. 4a), a longitudinal section (Fig. 4b) and a cross section (Fig. 4c) according to the plane B-B of Figure 4a of the cathode of a second embodiment of the thermionic converter according to the € ™ invention.
La Figura 5 mostra una vista laterale (Fig. 5a) ed una sezione trasversale secondo il piano C-C di Figura 5a (Fig. 5b) del catodo di una terza forma di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione. Figure 5 shows a side view (Fig. 5a) and a cross section according to the C-C plane of Figure 5a (Fig. 5b) of the cathode of a third embodiment of the thermionic converter according to the invention.
La Figura 6 mostra una sezione longitudinale lungo il piano A-A di Figura 2 del convertitore termoionico. Figure 6 shows a longitudinal section along the plane A-A of Figure 2 of the thermionic converter.
La Figura 6A Ã ̈ la stessa vista di Figura 6, con l'aggiunta di un ponte termico 30 sui terminali di uscita e di uno schermo ulteriore 31. Figure 6A is the same view as Figure 6, with the addition of a thermal bridge 30 on the output terminals and an additional shield 31.
La Figura 7 mostra una vista laterale del catodo 27 di una quarta forma di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione. Figure 7 shows a side view of the cathode 27 of a fourth embodiment of the thermionic converter according to the invention.
La Figura 8 mostra una vista laterale (Fig. 8a), una sezione longitudinale (Fig. 8b) ed una sezione trasversale (Fig. 8c) secondo il piano B-B di Figura 8a del catodo di una quinta forma di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione con catodo 28 a sezione schiacciata. Figure 8 shows a side view (Fig.8a), a longitudinal section (Fig.8b) and a cross section (Fig.8c) according to the plane B-B of Figure 8a of the cathode of a fifth embodiment of the thermionic converter according to the € ™ invention with flattened section cathode 28.
Legenda delle Figure Legend of the Figures
1 Serie di convertitori montati in fila; 1 Series of converters mounted in a row;
2 Specchi cilindrico - parabolici apertura 40°. 2 cylindrical - parabolic mirrors opening 40 °.
3 Tubo a vuoto; 3 Vacuum tube;
4 Finestratura di accesso; 4 Access window;
6 Anodi raffreddati; 6 cooled anodes;
7 Doppia spirale per ridurre le perdite per conduzione del catodo; 7 Double spiral to reduce cathode conduction losses;
8 Stringhe di magneti permanenti di deflessione; 8 Strings of permanent deflection magnets;
9 Schermi di radiazione riflettenti; 9 Reflective radiation shields;
10 Griglie ausiliarie di contenimento; 10 Auxiliary containment grids;
11 Griglie di deflessione; 11 Deflection grids;
12 Rilievi di bloccaggio e centratura; 12 Blocking and centering pads;
13 Griglie di controllo; 13 Control grids;
14 Prime griglie di accelerazione, deflessione e compensazione; 15 Seconde griglie di accelerazione, deflessione e compensazione; 14 First acceleration, deflection and compensation grids; 15 Second acceleration, deflection and compensation grids;
16 Griglie di schermatura campo anodi; 16 Anode field shielding grids;
17 Fori di passaggio dei tubi di raffreddamento; 17 Cooling pipe passage holes;
18 Tubi di raffreddamento anodi; 18 Anode cooling tubes;
19 Tubo di vuotatura; 19 Emptying tube;
20 Foro principale passaggio terminali catodo; 20 Main hole for cathode terminal passage;
21 Zoccolo di connessione elettrica; 21 Electrical connection socket;
22 Diaframma elastico di passaggio del tubo di raffreddamento dell’anodo; 22 Elastic diaphragm for passage of the anode cooling tube;
23 Diaframma elastico di passaggio del terminale del catodo, per la compensazione delle dilatazioni termiche e per l'accoppiamento vetro metallo; 23 Elastic diaphragm for the passage of the cathode terminal, for the compensation of thermal expansion and for the glass-metal coupling;
24 Catodo a spirale cilindrica con due uscite di corrente alle due estremità ed avvolgimento contrapposto a due principi a passo costante, realizzato per lavorazione di un cilindro pieno; 24 Cylindrical spiral cathode with two current outputs at both ends and opposed winding with two constant pitch principles, made by machining a solid cylinder;
25 Catodo a spirale cilindrica con uscita di corrente ad una estremità ed avvolgimento a passo variabile ad un principio, realizzato per lavorazione di un cilindro pieno; 25 Cylindrical spiral cathode with current output at one end and one-start variable pitch winding, made by machining a solid cylinder;
26 Catodo a spirale cilindrica con due uscite di corrente alle due estremità ed avvolgimento contrapposto a passo variabile ad un principio, realizzato per lavorazione di un cilindro pieno; 26 Cathode with cylindrical spiral with two current outputs at both ends and opposed winding with variable pitch to one principle, made by machining a solid cylinder;
27 Catodo a spirale cilindrica ad un principio a passo costante, realizzato da un filo avvolto tramite piegatura a spirale. 27 Cylindrical spiral cathode with a constant pitch principle, made from a wire wound by spiral bending.
28 Catodo a spirale schiacciata. 28 Flattened spiral cathode.
30 Ponte termico. 30 Thermal bridge.
31 Schermo riflettente a disco per radiazione assiale. 31 Disc reflective shield for axial radiation.
Le dimensioni, le proporzioni, il numero delle griglie, l’elemento ottico della finestratura di accesso ed i materiali possono variare, salvi restando i particolari rapporti funzionali descritti di seguito. The dimensions, the proportions, the number of grids, the optical element of the access window and the materials may vary, subject to the particular functional relationships described below.
I disegni presentati non sono disegni costruttivi ma contengono indicazioni sufficienti per poter sviluppare dei disegni costruttivi, essi sono da considerare puramente indicativi ed illustrativi del testo e non limitativi della portata dell'invenzione. The drawings presented are not construction drawings but contain sufficient indications to be able to develop construction drawings, they are to be considered purely indicative and illustrative of the text and not limitative of the scope of the invention.
Descrizione Dettagliata dell'Invenzione Detailed Description of the Invention
In questa descrizione si fa riferimento alle Figure 1-8 e si menziona il fattore di vista che, fra un primo ed un secondo corpo, à ̈ definito come la frazione di energia radiante che abbandona il primo corpo e raggiunge il secondo corpo. In virtù di questa definizione, il fattore di vista à ̈ una grandezza adimensionale variabile fra 0 e 1. Esistono delle tabelle, note all'esperto del ramo, per calcolare i fattori di vista in varie configurazioni. In this description reference is made to Figures 1-8 and the view factor is mentioned which, between a first and a second body, is defined as the fraction of radiant energy that leaves the first body and reaches the second body. By virtue of this definition, the view factor is a dimensionless variable between 0 and 1. There are tables, known to the skilled in the art, to calculate the view factors in various configurations.
Con riferimento alla Figura 2, si può osservare che una prima forma di realizzazione del convertitore termoionico a sviluppo lineare secondo l’invenzione comprende un tubo 3 a vuoto spinto, di materiale trasparente termostabile allungato, ad esempio di vetro, con una trasmissione della radiazione più ampia possibile e stabilizzato tramite ricottura. Il tubo 3 à ̈ vantaggiosamente di forma cilindrica allungata, con dimensioni che si indicano, a solo titolo di esempio, pari a 200 mm di diametro e 1000 mm di lunghezza. With reference to Figure 2, it can be observed that a first embodiment of the linear development thermionic converter according to the invention comprises a high vacuum tube 3, of elongated thermostable transparent material, for example glass, with a transmission of radiation as wide as possible and stabilized by annealing. The tube 3 is advantageously of an elongated cylindrical shape, with dimensions which are indicated, by way of example only, equal to 200 mm in diameter and 1000 mm in length.
Lungo un settore della superficie del cilindro, il tubo 3 presenta una finestratura ottica 4 di accesso, vantaggiosamente di forma rettangolare allungata, parallelamente all’asse longitudinale del tubo 3, dello stesso materiale trasparente del tubo, per un settore preferibilmente di 40° che costituisce, con la forma della parete stessa, un elemento ottico che coopera con il sistema di focalizzazione dell’energia solare sul catodo 24 e che permette l’utilizzo di sistemi di concentrazione lineari di energia proveniente da una sorgente esterna, quale energia solare, ad esempio del tipo a specchi cilindrico-parabolici 2 (mostrati in Figura 1) o a specchi multipli o prismatici o di lenti singole o multiple o lenti di fresnel o prismatiche (le quali lenti possono eventualmente essere integrate nella finestratura 4) o qualsiasi altro sistema di concentrazione, tipicamente posizionati all'esterno del tubo 3, ma vantaggiosamente anche all'interno in caso di convertitori miniaturizzati. Questa finestratura 4 può essere sagomata in forma di lente (non rappresentata) o altro elemento ottico e può comprendere trattamenti superficiali interni ed esterni, quali ad esempio deposizione di strati conduttivi, antiriflessione, a trasmissione selettiva, coibenti, idrofobi, autopulenti, protettivi, auto rigeneranti, e/o qualunque altro tipo di trattamento funzionale della o delle superfici in sé noti. Along a sector of the surface of the cylinder, the tube 3 has an optical access window 4, advantageously of an elongated rectangular shape, parallel to the longitudinal axis of the tube 3, of the same transparent material as the tube, for a sector preferably of 40 ° which constitutes, with the shape of the wall itself, an optical element that cooperates with the focusing system of solar energy on the cathode 24 and that allows the use of linear concentration systems of energy coming from an external source, such as solar energy , for example of the type with cylindrical-parabolic mirrors 2 (shown in Figure 1) or with multiple or prismatic mirrors or with single or multiple lenses or fresnel or prismatic lenses (which lenses can possibly be integrated into the fenestration 4) or any other system concentrators, typically positioned outside the tube 3, but advantageously also inside in the case of miniaturized converters. This window 4 can be shaped in the form of a lens (not shown) or other optical element and can include internal and external surface treatments, such as, for example, deposition of conductive, anti-reflection, selective transmission, insulating, hydrophobic, self-cleaning, protective, auto regenerating agents, and / or any other type of functional treatment of the known surface or surfaces.
Ognuna delle due estremità o basi del tubo o cilindro, presenta alcuni fori flangiati 17 e 20 per il montaggio di rispettivi diaframmi elastici 22 e 23 di attraversamento rispettivamente di un catodo 24 e di almeno un anodo 6 (nella forma di realizzazione mostrata in Figure 2 e 6 gli anodi sono due), ed alcuni rilievi esterni 12 (oppure cavità ) per l’esatto allineamento delle parti ed il posizionamento del convertitore rispetto al sistema di concentrazione ottico ed il suo bloccaggio meccanico. Come detto, sui fori 17 e 20 sono vantaggiosamente montati rispettivi diaframmi 22 e 23 di lamiera metallica flessibile, a basso coefficiente di dilatazione, con ondulazioni concentriche per la compensazione delle dilatazioni termiche dei terminali del catodo 24 e dei tubi 18 di raffreddamento, accoppiati al vetro in modo da mantenere il vuoto. Sui diaframmi 22 e 23 sono praticati dei fori di passaggio del catodo 24, del tubo 19 di vuotatura, e dei tubi 18 di raffreddamento degli anodi 6 ad essi solidalmente accoppiati (e.g. tramite saldatura). Each of the two ends or bases of the tube or cylinder has some flanged holes 17 and 20 for mounting respective elastic diaphragms 22 and 23 for crossing respectively a cathode 24 and at least one anode 6 (in the embodiment shown in Figure 2 and 6 there are two anodes), and some external reliefs 12 (or cavities) for the exact alignment of the parts and the positioning of the converter with respect to the optical concentration system and its mechanical locking. As mentioned, respective diaphragms 22 and 23 of flexible metal sheet with low expansion coefficient are advantageously mounted on the holes 17 and 20, with concentric undulations to compensate for the thermal expansion of the terminals of the cathode 24 and of the cooling tubes 18, coupled to the glass in order to maintain the vacuum. On the diaphragms 22 and 23 there are holes for the passage of the cathode 24, of the emptying tube 19, and of the tubes 18 for cooling the anodes 6 integrally coupled to them (e.g. by welding).
Si deve notare che le dimensioni non sono indicate poiché possono essere variate a seconda delle esigenze, dei diversi modelli e delle caratteristiche di impianto. It should be noted that the dimensions are not indicated as they can be varied according to the needs, the different models and the characteristics of the system.
All'interno del tubo 3 à ̈ alloggiato longitudinalmente un catodo 24, mostrato in dettaglio in Figura 3. Il catodo 24 à ̈ di materiale refrattario conduttivo (come tungsteno o grafite), con due uscite di corrente alle due estremità ed avvolgimento contrapposto a due principi a passo costante. Inside the tube 3 there is longitudinally housed a cathode 24, shown in detail in Figure 3. The cathode 24 is made of conductive refractory material (such as tungsten or graphite), with two current outputs at both ends and winding opposed to two principles at a constant pace.
Il catodo 24 può essere ricavato da un cilindro pieno mediante un taglio a spirale che, partendo dalla superficie del cilindro, impegna poco più del cinquanta per cento del diametro (ovvero senza uscire dall’estremità opposta del diametro). Ciò consente di ottenere un solenoide di un singolo conduttore con la massima sezione ottenibile dal cilindro stesso. In particolare, grazie allo sviluppo a due principi, il catodo 24 à ̈ facilmente realizzabile da una barra tonda tramite un taglio passante realizzato tramite elettroerosione a filo. The cathode 24 can be obtained from a solid cylinder by means of a spiral cut which, starting from the surface of the cylinder, engages a little more than fifty percent of the diameter (ie without exiting from the opposite end of the diameter). This allows to obtain a solenoid of a single conductor with the maximum section obtainable from the cylinder itself. In particular, thanks to the two-principle development, the cathode 24 can be easily made from a round bar by means of a through cut made by wire EDM.
Il catodo 24 può essere fabbricato alternativamente con altri metodi. Ad esempio, à ̈ possibile dapprima rivestire un cilindro di ceramica con un materiale refrattario conduttivo, metallico o ceramico, con bassa funzione di lavoro, e poi praticare un sottile taglio ad elica lungo il cilindro, partendo da un’estremità , tramite un sottile filo di taglio per elettroerosione o lavorazioni al tornio, o fresatura, o lavorazioni mediante abrasivi, o sinterizzazione, o taglio laser, o taglio ad ultrasuoni, a seconda del materiale da lavorare, anche senza arrivare all’estremità opposta. Alternativamente, à ̈ possibile anche utilizzare un taglio ad acqua e/o un taglio per erosione chimica. Cathode 24 can alternatively be fabricated by other methods. For example, it is possible to first coat a ceramic cylinder with a conductive refractory material, metal or ceramic, with a low working function, and then make a thin helix cut along the cylinder, starting from one end, using a thin cutting wire for electroerosion or lathe machining, or milling, or machining using abrasives, or sintering, or laser cutting, or ultrasonic cutting, depending on the material to be machined, even without reaching the opposite end. Alternatively, it is also possible to use a water jet and / or a chemical erosion cut.
La forma del catodo 24 (i.e. con avvolgimento contrapposto a due principi a passo costante) permette di generare, durante il funzionamento del convertitore, un campo magnetico assiale che decresce progressivamente di intensità verso il centro, il quale campo magnetico à ̈ dovuto alla corrente di sostegno dell’emissione termoionica che percorre i due rami opposti del catodo 24 in versi discordi, grazie ai versi di avvolgimenti opposti delle due metà speculari dello stesso catodo 24. Tale campo magnetico assiale contribuisce efficacemente alla deflessione degli elettroni emessi verso gli anodi laterali nel convertitore di Figura 2. The shape of the cathode 24 (i.e. with opposite winding with two constant pitch principles) allows to generate, during the converter operation, an axial magnetic field which progressively decreases in intensity towards the center, which magnetic field is due to the current of support of the thermionic emission which runs through the two opposite branches of the cathode 24 in discordant directions, thanks to the opposite winding directions of the two mirror halves of the same cathode 24. This axial magnetic field effectively contributes to the deflection of the electrons emitted towards the lateral anodes in the converter of Figure 2.
Come mostrato in Figure 2, 6 e 6A, il catodo 24 percorre tutta la lunghezza del tubo a vuoto, lungo una direttrice parallela all’asse del tubo stesso, posizionato longitudinalmente al centro e sospeso ad entrambe le estremità tramite un percorso allungato di connessione con i terminali elettrici di uscita, in qualunque modo disposti all’interno del tubo 3 a vuoto, come ad esempio percorsi dritti, ripiegati intrecciati o avvolti. Il catodo 24 à ̈ riscaldato ad alta temperatura per irraggiamento direttamente dalla radiazione (preferibilmente concentrata), e.g. la luce del sole, che entra nella finestratura 4 senza mezzi intermedi di trasmissione del calore. Attraverso le sospensioni, il catodo 24 esce da uno o da entrambi i lati del tubo 3 a vuoto, in modo da permettere il montaggio di più convertitori in fila tramite collegamenti elettrici esterni. As shown in Figures 2, 6 and 6A, the cathode 24 runs along the entire length of the vacuum tube, along a directrix parallel to the axis of the tube itself, positioned longitudinally in the center and suspended at both ends through an elongated connection path with the electrical output terminals, in any way arranged inside the vacuum tube 3, such as for example straight paths, folded, twisted or wound. The cathode 24 is heated to a high temperature by direct radiation from the radiation (preferably concentrated), e.g. sunlight, which enters the window 4 without any intermediate means of transmitting heat. Through the suspensions, the cathode 24 exits from one or both sides of the vacuum tube 3, so as to allow the assembly of several converters in a row by means of external electrical connections.
Come mostrato in Figura 2, il sistema di sospensione di ogni estremità del catodo 24 à ̈ realizzato tramite un conduttore, che può essere dello stesso materiale del catodo 24, comprendente due spirali 7 con versi di avvolgimento concordi ed equiversi alla porzione adiacente del catodo, in modo da generare un campo magnetico che si somma al campo magnetico generato dal catodo. In tal modo, il sistema di sospensione di ogni estremità del catodo 24 opera anche da connettore elettrico dell’estremità , allungando il percorso dei terminali elettrici di uscita, allo scopo di ridurre le dispersioni per conduzione termica del catodo 24 e permettendo allo stesso tempo la compensazione delle dilatazioni termiche longitudinali dello stesso catodo 24. Pertanto, il catodo 24 à ̈ collegato elettricamente tramite conduttori 7 a doppia spirale per allungare il percorso di conduzione termica e limitare le relative perdite termiche per conduzione attraverso i terminali elettrici che lo collegano all’esterno. I conduttori 7 a spirale possono essere realizzati solidali con il catodo. I conduttori 7 a spirale passano attraverso flange, e l'esperto del ramo saprà tener conto degli effetti di termocoppia e di Peltier nella realizzazione dei collegamenti elettrici per la messa in serie elettrica di più dispositivi e per i collegamenti con il carico. As shown in Figure 2, the suspension system of each end of the cathode 24 is made by means of a conductor, which can be of the same material as the cathode 24, comprising two spirals 7 with winding directions that are concordant and equal to the adjacent portion of the cathode, in order to generate a magnetic field which is added to the magnetic field generated by the cathode. In this way, the suspension system of each end of the cathode 24 also acts as an electrical connector of the end, lengthening the path of the electrical output terminals, in order to reduce the dispersions due to thermal conduction of the cathode 24 and at the same time allowing the compensation of the longitudinal thermal expansions of the same cathode 24. Therefore, the cathode 24 is electrically connected by means of double spiral conductors 7 to lengthen the thermal conduction path and limit the relative thermal losses due to conduction through the electrical terminals that connect it to the ™ external. The spiral conductors 7 can be made integral with the cathode. The spiral conductors 7 pass through flanges, and the skilled in the art will be able to take into account the thermocouple and Peltier effects in making the electrical connections for the electrical series connection of several devices and for the connections to the load.
Vantaggiosamente, all'interno o all’esterno del tubo può essere previsto un ponte termico 30 (mostrato in Figura 6A) per la gestione dei flussi termici sulle giunzioni elettriche esterne. Il ponte termico 30 à ̈ isolato elettricamente sui tubi di raffreddamento degli anodi 18. Advantageously, a thermal bridge 30 (shown in Figure 6A) can be provided inside or outside the pipe for managing the thermal flows on the external electrical junctions. The thermal bridge 30 is electrically insulated on the cooling tubes of the anodes 18.
Altre forme di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione possono avere un catodo di forma e/o sezione leggermente diverse da quella mostrata in Figura 3. Other embodiments of the thermionic converter according to the invention may have a cathode of slightly different shape and / or section from that shown in Figure 3.
Ad esempio la Figura 2A mostra un allestimento del convertitore analogo a quello della Figura 2, ma con il catodo 28 a sezione schiacciata (ellittica). For example, Figure 2A shows an arrangement of the converter similar to that of Figure 2, but with the cathode 28 having a flattened (elliptical) section.
La Figura 4 mostra un catodo 25 a spirale cilindrica utilizzato in una seconda forma di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione. In particolare, il catodo 25 ha uscita di corrente ad una estremità ed avvolgimento a passo variabile ad un principio, per cui il catodo 25 esce soltanto da una delle due estremità del tubo 3 a vuoto (in corrispondenza dell’estremità sinistra 25L) ed à ̈ sospeso (tramite sistemi di sospensione simili a quelli a doppia spirale illustrati per il catodo 24) e mantenuto nella posizione assiale del tubo 3 preferibilmente tramite tiranti elastici, non mostrati (ad esempio in caso di miniaturizzazione del dispositivo). Il passo della spirale cilindrica à ̈ decrescente allontanandosi dall’estremità sospesa 25L (i.e., verso l’interno del tubo 3). Il catodo 25 ha sezione di conduzione variabile per compensare parzialmente, tramite l’aumento del numero di spire, la diminuzione dell’intensità del campo magnetico generato dalla corrente di conduzione lungo lo sviluppo del catodo stesso, causato dalla diminuzione della stessa corrente dovuta alla emissione termoionica. Figure 4 shows a cylindrical spiral cathode 25 used in a second embodiment of the thermionic converter according to the invention. In particular, the cathode 25 has a current output at one end and a winding with a variable pitch at a single principle, so that the cathode 25 exits only from one of the two ends of the vacuum tube 3 (at the left end 25L) and It is suspended (by means of suspension systems similar to the double spiral ones illustrated for the cathode 24) and kept in the axial position of the tube 3 preferably by elastic tie rods, not shown (for example in the case of miniaturization of the device). The pitch of the cylindrical spiral decreases as you move away from the suspended end 25L (i.e., towards the inside of the tube 3). The cathode 25 has a variable conduction section to partially compensate, through the increase in the number of turns, the decrease in the intensity of the magnetic field generated by the conduction current along the development of the cathode itself, caused by the decrease of the same current due to the thermionic emission.
La Figura 5 mostra un catodo 26 a spirale cilindrica utilizzato in una terza forma di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione, preferibilmente per correnti dell’ordine di 100 A o superiori. In particolare, il catodo 26 à ̈ simmetrico rispetto ad un piano trasversale mediano DD (che lo divide in due metà speculari), ha due uscite di corrente alle due estremità ed avvolgimento contrapposto a passo variabile ad un principio, e viene sospeso (tramite sistemi di sospensione simili a quelli a doppia spirale illustrati per il catodo 24) ed esce da entrambe le estremità del tubo 3 a vuoto. Il passo della spirale cilindrica à ̈ decrescente andando da ognuna delle due estremità sospese verso il piano trasversale mediano DD. Analogamente ai catodi 24 e 25 delle Figure 3 e 4, anche il catodo 26 à ̈ in grado di generare, tramite la corrente di conduzione che lo percorre, un campo magnetico assiale. Figure 5 shows a cylindrical spiral cathode 26 used in a third embodiment of the thermionic converter according to the invention, preferably for currents of the order of 100 A or higher. In particular, cathode 26 is symmetrical with respect to a median transverse plane DD (which divides it into two specular halves), has two current outputs at both ends and opposite winding with variable pitch to a principle, and is suspended (through systems suspension similar to the double spiral ones illustrated for the cathode 24) and exits from both ends of the vacuum tube 3. The pitch of the cylindrical spiral is decreasing going from each of the two suspended ends towards the median transverse plane DD. Similarly to the cathodes 24 and 25 of Figures 3 and 4, also the cathode 26 is able to generate, through the conduction current that flows through it, an axial magnetic field.
Anche i catodi 25 e 26 delle Figure 4 e 5 possono essere realizzati secondo i metodi di fabbricazione illustrati in precedenza per il catodo 24 di Figura 3. The cathodes 25 and 26 of Figures 4 and 5 can also be made according to the manufacturing methods illustrated above for the cathode 24 of Figure 3.
La Figura 7 mostra un catodo 27 a spirale cilindrica ad un principio a passo costante realizzato, anziché per lavorazione di un cilindro pieno, da un filo avvolto tramite piegatura a spirale, che può avere un funzionamento analogo al catodo 24 di Figura 3 od al catodo 25 di Figura 4. In altre parole, il catodo 27 può essere realizzato per operare come catodo con uscita singola (come per il catodo 25 di Figura 4), rappresentata in Figura 7 all’estremità sinistra, oppure come catodo con uscita doppia alle due estremità (come per il catodo 24 di Figura 3), avendo cura di invertire il verso di avvolgimento sulla mezzeria del dispositivo (come rappresentato nel catodo 24 di Figura 3). Con lo stesso filo à ̈ realizzata la doppia spirale di sospensione 7 di Figura 7 tramite piegatura, con avvolgimento equiverso a quello del catodo adiacente di cui à ̈ supporto. Anche il catodo 27 à ̈ in grado di generare, tramite la corrente di conduzione che lo percorre, un campo magnetico assiale, secondo l’invenzione. Figure 7 shows a cylindrical spiral cathode 27 with a constant pitch principle made, instead of processing a solid cylinder, from a wire wound by spiral bending, which can have a similar operation to the cathode 24 of Figure 3 or to the cathode 25 of Figure 4. In other words, the cathode 27 can be made to operate as a cathode with a single output (as for the cathode 25 of Figure 4), represented in Figure 7 at the left end, or as a cathode with a double output at the two ends (as for the cathode 24 of Figure 3), taking care to reverse the winding direction on the center line of the device (as shown in the cathode 24 of Figure 3). With the same wire, the double suspension spiral 7 of Figure 7 is made by bending, with winding equivalent to that of the adjacent cathode of which it is support. The cathode 27 is also able to generate, by means of the conduction current that flows through it, an axial magnetic field, according to the invention.
I catodi 24, 25, 26 e 27 possono avere una forma spiralata con sezione circolare o anche con sezione schiacciata, ad esempio ellittica o altra forma schiacciata lavorata a spirale tramite uno dei metodi di taglio già descritti in precedenza. Questa forma di realizzazione à ̈ illustrata come esempio in Figura 8 (la sezione ellittica à ̈ in particolare mostrata in Figura 8c). Nel caso della forma schiacciata, nel montaggio converrà tener conto della dilatazione termica dei materiali. L'esperto del ramo à ̈ in grado di calcolare le deformazioni per ottenere un allineamento ottimale tra catodo e anodo(i). The cathodes 24, 25, 26 and 27 can have a spiral shape with a circular section or even with a flattened section, for example an elliptical or other flattened shape worked into a spiral by one of the cutting methods already described above. This embodiment is illustrated as an example in Figure 8 (the elliptical section is in particular shown in Figure 8c). In the case of the flattened form, in the assembly it will be better to take into account the thermal expansion of the materials. The skilled in the art is able to calculate the deformations to obtain an optimal alignment between cathode and anode (s).
Nel seguito della descrizione, quando si farà riferimento al catodo del convertitore termoionico secondo l’invenzione verrà espressamente indicato il catodo 24 di Figura 3. Si deve tuttavia intendere che tutto ciò che viene descritto à ̈ analogamente applicabile e valido per i catodi delle altre forme di realizzazione del convertitore termoionico secondo l’invenzione, quali i catodi 25, 26, 27 e 28 di Figure 4, 5, 7 e 8 rispettivamente o altre forme di realizzazione analoghe o similari. In the following description, when reference is made to the cathode of the thermionic converter according to the invention, the cathode 24 of Figure 3 will be expressly indicated. However, it must be understood that everything described is similarly applicable and valid for the cathodes of the other embodiments of the thermionic converter according to the invention, such as the cathodes 25, 26, 27 and 28 of Figures 4, 5, 7 and 8 respectively or other similar or similar embodiments.
Facendo di nuovo riferimento alle Figure 2, 2A, si può osservare che all'interno del tubo 3 à ̈ altresì longitudinalmente alloggiato almeno un anodo, preferibilmente (almeno) una coppia di anodi 6 (come nella forma di realizzazione mostrata in Figure 2, 2A e 6, 6A) appiattiti longitudinalmente e montati diametralmente tra loro ai lati al catodo, vantaggiosamente realizzati in forma di tubi o di condotti o tali da alloggiare tubi o condotti metallici 18 di raffreddamento di qualsiasi forma e sezione. In altre parole, gli anodi 6 hanno sostanzialmente due facce genericamente piane e sono vantaggiosamente disposti lateralmente e di profilo rispetto al catodo 24, 28, ovvero secondo un posizionamento di minimo irraggiamento, ed escono dai due estremi del tubo 3 a vuoto per i collegamenti idraulici ed elettrici, attraverso diaframmi elastici 22 ai quali sono preferibilmente solidalmente accoppiati (e.g. saldati) a tenuta stagna e che li mantengono posizionati di profilo lateralmente al catodo 24, 28, in modo tale che le due facce genericamente piane di ciascun anodo 6 operino come superfici attive di assorbimento degli elettroni. Vantaggiosamente le superfici di detti anodi possono riportare un rivestimento funzionale adatto a migliorare le caratteristiche di assorbimento degli elettroni, e/o un rivestimento in bario o terre rare o esaboruro di lantanio, in se noti, per diminuire la funzione di lavoro degli anodi o altri rivestimenti funzionali. Come detto, i due anodi 6 sono vantaggiosamente provvisti di mezzi di raffreddamento (nella forma di realizzazione mostrata in Figure 2, 2A e 6, 6A, comprendenti tubi o condotti metallici 18 di raffreddamento) o svolgono al contempo la funzione di mezzi di raffreddamento per realizzare il ciclo di conversione termoionico con la tripla funzione di essere gli elettrodi di collegamento con l’esterno, di formare o supportare le superfici degli anodi 6 di conversione con basso coefficiente di vista tra catodo 24, 28 ed anodi 6, e di essere mezzi di raffreddamento (18) tramite la circolazione di un fluido, in modo da far lavorare gli anodi 6 alla temperatura più bassa possibile, ad esempio <400°C, preferibilmente circa 50-100°C o meno, eventualmente ma non esclusivamente, la temperatura compresa nel range di fase liquida dell’acqua, o di un altro fluido termovettore, ad esempio compresa tra 10°C e 100°C in base e compatibilmente con la temperatura disponibile per la funzione di raffreddamento degli anodi 6, permettendo, nello stesso tempo, il recupero del calore di scarto per utilizzi a bassa temperatura come ad esempio il riscaldamento dell’acqua per utilizzi sanitari. Referring again to Figures 2, 2A, it can be observed that inside the tube 3 there is also longitudinally housed at least one anode, preferably (at least) a pair of anodes 6 (as in the embodiment shown in Figures 2, 2A and 6, 6A) flattened longitudinally and mounted diametrically to each other on the sides of the cathode, advantageously made in the form of tubes or ducts or such as to house metal cooling tubes or ducts 18 of any shape and section. In other words, the anodes 6 substantially have two generally flat faces and are advantageously arranged laterally and in profile with respect to the cathode 24, 28, i.e. according to a positioning of minimum irradiation, and exit from the two ends of the vacuum tube 3 for hydraulic connections. and electrical, through elastic diaphragms 22 to which they are preferably tightly coupled (e.g. welded) and which keep them positioned sideways to the cathode 24, 28, so that the two generally flat faces of each anode 6 act as surfaces active electron absorption. Advantageously, the surfaces of said anodes can have a functional coating suitable for improving the electron absorption characteristics, and / or a barium or rare earth or lanthanum hexaboride coating, per se known, to decrease the working function of the anodes or others. functional coatings. As said, the two anodes 6 are advantageously provided with cooling means (in the embodiment shown in Figures 2, 2A and 6, 6A, comprising metal cooling pipes or ducts 18) or at the same time perform the function of cooling means for realize the thermionic conversion cycle with the triple function of being the connecting electrodes with the outside, of forming or supporting the surfaces of the conversion anodes 6 with low coefficient of view between cathode 24, 28 and anodes 6, and of being cooling means (18) through the circulation of a fluid, so as to make the anodes 6 work at the lowest possible temperature, for example <400 ° C, preferably about 50-100 ° C or less, possibly but not exclusively, the temperature included in the liquid phase range of water, or of another heat transfer fluid, for example between 10 ° C and 100 ° C depending on and compatibly with the temperature available for the cooling function increase of the anodes 6, allowing, at the same time, the recovery of waste heat for uses at low temperatures such as for example the heating of water for sanitary uses.
Preferibilmente, un magnete 8, o anche più di un magnete, permanente di deflessione di qualunque forma à ̈ posizionato, o sono posizionati, all’interno o all’esterno del dispositivo, preferibilmente all’interno del o degli anodi 6, o sulla superficie dello o degli anodi 6, alloggiati all’interno dei tubi 18 di raffreddamento, disposti preferibilmente in due file, per contribuire a generare campi magnetici di deflessione. Preferably, a magnet 8, or even more than one magnet, permanent deflection of any shape is positioned, or are positioned, inside or outside the device, preferably inside the anode (s) 6, or on the surface of the anode or anodes 6, housed inside the cooling tubes 18, preferably arranged in two rows, to help generate magnetic deflection fields.
Uno o più schermi riflettenti 9 rivestono la parete interna del tubo 3 con la funzione di schermi di radiazione in sé noti, e sono costituiti da sottili fogli di metallo riflettente in numero variabile (preferibilmente 19) a seconda delle esigenze di efficienza di coibentazione, per minimizzare l’energia dispersa per irraggiamento. Gli schermi 9 sono disposti in modo concentrico lungo la superficie interna perimetrale del tubo 3, collegati elettricamente con l’esterno e separati fra loro da spazi vuoti tramite opportuni distanziatori (non mostrati), eccettuata una striscia longitudinale che forma la finestratura 4 di accesso, per riflettere la radiazione emessa dal catodo 24 di nuovo verso il catodo 24, allo scopo di ridurre le perdite per irraggiamento verso l’esterno ed aumentare il rendimento alle alte temperature. One or more reflecting screens 9 cover the inner wall of the tube 3 with the function of radiation screens per se known, and are constituted by thin sheets of reflecting metal in a variable number (preferably 19) according to the requirements of insulation efficiency, to minimize the energy dispersed by radiation. The screens 9 are arranged concentrically along the inner perimeter surface of the tube 3, electrically connected with the outside and separated from each other by empty spaces by means of suitable spacers (not shown), except for a longitudinal strip which forms the access window 4 , to reflect the radiation emitted by the cathode 24 back towards the cathode 24, in order to reduce the losses due to irradiation towards the outside and increase the efficiency at high temperatures.
Possono essere montati due ulteriori schermi riflettenti di radiazione aggiuntivi 31 alle due estremità all’interno del tubo a vuoto, dello stesso materiale del primo schermo, con fori di passaggio per il catodo ed i tubi degli anodi, isolati da questi e collegati elettricamente allo schermo interno della parete cilindrica, per riflettere la radiazione in direzione assiale e completare la camera di contenimento degli elettroni. Two further additional radiation reflecting screens 31 can be mounted at the two ends inside the vacuum tube, of the same material as the first screen, with passage holes for the cathode and the anode tubes, isolated from these and electrically connected to the internal shield of the cylindrical wall, to reflect the radiation in the axial direction and complete the electron containment chamber.
Inoltre, una o più griglie in sé note (in Figura 2, 2A indicate dai numeri di riferimento 10, 11, 13, 14, 15 e 16) possono essere disposte in vario modo all’interno del tubo 3 a vuoto, per generare campi elettrici per controllare il funzionamento del convertitore termoionico, come verrà descritto in maggiore dettaglio più avanti. Furthermore, one or more grids known per se (in Figure 2, 2A indicated by the reference numbers 10, 11, 13, 14, 15 and 16) can be arranged in various ways inside the vacuum tube 3, to generate electric fields to control the operation of the thermionic converter, as will be described in more detail below.
Uno o più zoccoli 21, in sé noti, sono presenti sulla parete del tubo 3 per realizzare i collegamenti elettrici tra interno ed esterno. One or more bases 21, known per se, are present on the wall of the tube 3 to make the electrical connections between the interior and the exterior.
Il tubo 3 alloggia altresì il tubo 19 di vuotatura in sé noto, montato su una flangia di passaggio o sul corpo del tubo 3 a vuoto. The pipe 3 also houses the known emptying pipe 19, mounted on a passage flange or on the body of the vacuum pipe 3.
Sul catodo 24 viene concentrata, tramite sistemi ottici, l'energia solare in modo da portarlo ad una temperatura idonea ad innescare l'emissione termoionica. The solar energy is concentrated on the cathode 24 by means of optical systems so as to bring it to a temperature suitable for triggering the thermionic emission.
Il catodo 24 Ã ̈ collegato ad appositi sostegni e sospensioni elastiche che lo mantengono in posizione al centro del tubo 3 e atti a mantenere fissa la posizione reciproca tra il catodo 24 e la coppia di anodi 6. The cathode 24 is connected to special supports and elastic suspensions which keep it in position at the center of the tube 3 and able to keep fixed the reciprocal position between the cathode 24 and the pair of anodes 6.
Sul catodo 24 à ̈ vantaggiosamente realizzabile un trattamento della superficie in sé noto per aumentarne la rugosità o un rivestimento refrattario conduttivo per massimizzare il coefficiente di captazione e minimizzare quello di riflessione e di emissione, realizzando una superficie selettiva, allo scopo di aumentare l'efficienza di captazione. On the cathode 24 it is advantageously possible to carry out a surface treatment in itself known to increase its roughness or a conductive refractory coating to maximize the uptake coefficient and minimize that of reflection and emission, creating a selective surface, in order to increase the collection efficiency.
Secondo la realizzazione illustrata in Figura 2, 2A, lateralmente al catodo 24, 28 sono posizionati due tubi metallici 18 di raffreddamento, dimensionati per la potenza termica da estrarre, schiacciati longitudinalmente e saldati a due alette di conduzione termica ed elettrica che realizzano le superfici di captazione degli anodi 6, con la sezione trasversale che si assottiglia verso il catodo 24, 28, in modo da realizzare due facce piane inclinate di circa 9° l'una rispetto all'altra, e posizionate di profilo lateralmente al catodo, disposte simmetricamente rispetto ad un piano passante per un diametro del catodo 24, 28 (nel caso di una coppia di anodi 6, come in Figure 2, 2A e 6, 6A, le due facce piane dei due anodi sono disposte simmetricamente rispetto al medesimo piano diametrale), in modo da offrire la sezione minima di esposizione per ottenere un coefficiente di vista tra catodo 24, 28 ed anodi 6 il più basso possibile compatibile con le esigenze di raffreddamento; il fattore di vista tra catodo 24 e anodo 6 per la geometria della forma di realizzazione mostrata in Figure 2 e 3 à ̈ di 0.048 per una faccia degli anodi 6, che sommato per tutte e quattro le superfici dà il valore di 0.19. According to the embodiment illustrated in Figure 2, 2A, two metal cooling tubes 18 are positioned laterally to the cathode 24, 28, sized for the thermal power to be extracted, pressed longitudinally and welded to two heat and electrical conduction fins which form the surfaces of captation of the anodes 6, with the cross section tapering towards the cathode 24, 28, so as to create two flat faces inclined by approximately 9 ° with respect to each other, and positioned sideways to the cathode, arranged symmetrically with respect to to a plane passing through a diameter of the cathode 24, 28 (in the case of a pair of anodes 6, as in Figures 2, 2A and 6, 6A, the two flat faces of the two anodes are arranged symmetrically with respect to the same diametrical plane), so as to offer the minimum exposure section to obtain the lowest possible coefficient of view between cathode 24, 28 and anodes 6 compatible with the cooling requirements; the view factor between cathode 24 and anode 6 for the geometry of the embodiment shown in Figures 2 and 3 is 0.048 for one face of the anodes 6, which added for all four surfaces gives the value of 0.19.
Le facce di captazione degli anodi 6 possono essere trattate in superficie con un rivestimento studiato per migliorare l'assorbimento degli elettroni. The capturing faces of the anodes 6 can be surface treated with a coating designed to improve the absorption of electrons.
I tubi 18 e gli anodi 6 possono vantaggiosamente essere realizzati in rame per le caratteristiche di elevata conducibilità elettrica ed elevata temperatura di fusione, e sono montati sui diaframmi 22 di chiusura pretensionati, allo scopo di compensare una dilatazione termica di circa 2 mm per 100°C per lo sviluppo di un metro. The tubes 18 and the anodes 6 can advantageously be made of copper due to the characteristics of high electrical conductivity and high melting temperature, and are mounted on pre-tensioned closing diaphragms 22, in order to compensate for a thermal expansion of about 2 mm per 100 ° C for the development of a meter.
I tubi che realizzano gli anodi 6 sono isolati utilizzando o un fluido di raffreddamento elettricamente isolante o un isolamento dei tubi tramite rivestimento interno e raccordi esterni isolanti per poter usare il tubo stesso come conduttore e collegamento elettrico di uscita 18 o utilizzando passaggi e flange separate per i tubi e per i collegamenti elettrici, per realizzare l’isolamento elettrico potendo in tali modi utilizzare dell’acqua additivata come fluido di raffreddamento. The pipes that make up the anodes 6 are insulated using either an electrically insulating cooling fluid or an insulation of the pipes by means of internal lining and external insulating fittings in order to be able to use the pipe itself as conductor and electrical outlet connection 18 or by using separate passages and flanges for the pipes and for the electrical connections, to make the electrical insulation being able in these ways to use water with additives as a cooling fluid.
Questi tubi vengono raffreddati con un circuito, non mostrato, di circolazione di fluido refrigerante, ad una temperatura intorno ai 70-80°C che può essere sfruttato per altri usi o può essere raffreddato con mezzi passivi per mantenere gli anodi ad una temperatura intorno ai 100°C. These tubes are cooled with a circuit, not shown, of circulation of the refrigerant fluid, at a temperature around 70-80 ° C which can be exploited for other uses or can be cooled with passive means to keep the anodes at a temperature around the 100 ° C.
Gli anodi 6 sono collegati elettricamente all'esterno tramite gli stessi tubi 18 di raffreddamento che attraversano la parete tramite apposite flange elastiche 22. The anodes 6 are electrically connected to the outside by means of the same cooling pipes 18 which pass through the wall by means of suitable elastic flanges 22.
Come detto in precedenza, una o più griglie in sé note (in Figura 2, 2A indicate dai numeri di riferimento 10, 11, 13, 14, 15 e 16) possono essere disposte in vario modo all’interno del tubo 3 a vuoto. Si deve considerare che tali griglie non sono caratteristiche essenziali dell’invenzione, e possono anche non essere affatto presenti nel convertitore termoionico secondo l’invenzione. As previously mentioned, one or more grids known per se (in Figure 2, 2A indicated by the reference numbers 10, 11, 13, 14, 15 and 16) can be arranged in various ways inside the tube 3 to empty. It must be considered that such grids are not essential features of the invention, and may not even be present at all in the thermionic converter according to the invention.
In particolare, una o più griglie 15 di deflessione, disposte in quattro posizioni, preferibilmente simmetriche, nei quattro quadranti, possono essere presenti nel tubo 3 per compensare la carica spaziale che si forma nel tubo 3. In particular, one or more deflection grids 15, arranged in four positions, preferably symmetrical, in the four quadrants, can be present in the tube 3 to compensate for the space charge that forms in the tube 3.
Opzionalmente, possono essere presenti inoltre all'interno del tubo 3 le seguenti ulteriori griglie: Optionally, the following additional grids can also be present inside the tube 3:
- una o più griglie 13 di controllo, la cui presenza à ̈ tecnica nota, disposte intorno al catodo 24; - one or more control grids 13, the presence of which is known in the art, arranged around the cathode 24;
- una o più griglie 14 di accelerazione e deflessione disposte in quattro posizioni, preferibilmente simmetriche, nei quattro quadranti; - one or more acceleration and deflection grids 14 arranged in four positions, preferably symmetrical, in the four quadrants;
- una o più griglie 16 di schermatura del campo degli anodi 6 disposte in quattro posizioni, preferibilmente simmetriche, nei quattro quadranti di fronte agli anodi; - one or more grids 16 for shielding the field of the anodes 6 arranged in four positions, preferably symmetrical, in the four quadrants facing the anodes;
- una o più griglie 10 di contenimento con funzione di schermi di radiazione riflettenti; - one or more containment grids 10 with the function of reflecting radiation screens;
- una o più griglie 11 di contenimento e deflessione disposte in quattro posizioni, preferibilmente simmetriche, nei quattro quadranti. - one or more containment and deflection grids 11 arranged in four positions, preferably symmetrical, in the four quadrants.
Tali ulteriori griglie (10, 11, 13, 14 e 16) sono, come detto opzionali e non strettamente necessarie. Such further grids (10, 11, 13, 14 and 16) are, as mentioned, optional and not strictly necessary.
Tutti i precedenti elementi funzionali (tranne i magneti 8) sono collegati elettricamente con l'esterno separatamente, tramite altrettanti piedini degli zoccoli 21 di collegamento, e sono opportunamente posizionati a seconda delle caratteristiche di funzionamento volute e sono controllati, a seconda delle caratteristiche e delle condizioni di lavoro, da appositi circuiti di polarizzazione (non mostrati). All the previous functional elements (except the magnets 8) are electrically connected with the outside separately, by means of as many feet of the connection bases 21, and are suitably positioned according to the desired operating characteristics and are controlled, according to the characteristics and working conditions, by special polarization circuits (not shown).
Sarà presente inoltre una coppia di flange esterne di sospensione meccanica (non mostrate) per il posizionamento stabile sul punto di lavoro ottico (fuoco ottico). There will also be a pair of external mechanical suspension flanges (not shown) for stable positioning on the optical working point (optical focus).
I vantaggi offerti dal presente dispositivo comprendono, fra l'altro: The advantages offered by this device include, among other things:
- la minimizzazione dello scambio termico per irraggiamento tra catodo 24 ed anodi 6, privilegiando lo scambio termico mediato dagli elettroni emessi dal catodo 24; - the minimization of the heat exchange by irradiation between cathode 24 and anodes 6, favoring the heat exchange mediated by the electrons emitted by the cathode 24;
- la minimizzazione dello scambio termico per irraggiamento del catodo 24 verso l'esterno; - the minimization of the heat exchange by irradiation of the cathode 24 towards the outside;
- la minimizzazione dello scambio termico per conduzione, per innalzare il rendimento termico e quindi quello totale. - the minimization of the heat exchange by conduction, to raise the thermal efficiency and therefore the total one.
Questi vantaggi si ottengono con l'utilizzo di almeno uno degli accorgimenti seguenti, oppure due di essi, o preferibilmente tutti e tre: These advantages are obtained by using at least one of the following measures, or two of them, or preferably all three:
i) Gli anodi 6, ognuno avente forma longitudinalmente appiattita comprendente due facce, sono posizionati di profilo lateralmente al catodo, con le due facce disposte simmetricamente rispetto ad un piano passante per un diametro del catodo 24 (nel caso di una coppia di anodi 6, come in Figure 2 e 6, 6A, le due facce piane dei due anodi sono disposte simmetricamente rispetto al medesimo piano diametrale), anziché affacciati frontalmente come nell'arte nota, con le tangenti alle superfici affacciate di un anodo 6 e catodo 24 tali da formare angoli compresi, ma non esclusivamente compresi, tra 70° e 180°, in particolare nel caso di catodo cilindrico in esempio, l’angolo di vista varia tra 85° e 174° in base alla porzione di superficie circolare considerata, che si avvicinano preferibilmente a 180°, in modo che almeno un piano di simmetria, di ciascun elemento, giaccia sullo stesso piano di simmetria di almeno un altro diverso di questi elettrodi (se uno à ̈ un catodo, l’altro à ̈ un anodo), ed in modo che l'angolo di vista di ciascuna superficie di catodo 24 ed anodo 6 sia più ampio possibile, tendendo ad avvicinarsi a 180°, per ottenere in questo modo, un basso scambio termico tra catodo 24 e anodi 6 dovuto al basso coefficiente di vista tra le rispettive superfici. Questo angolo, che deve essere il più possibile vicino a 180°, dipende dal dimensionamento dei tubi 18 di raffreddamento e dalla sezione di conduzione del catodo 24, ed à ̈ necessario per contenere all'interno, in contatto termico con gli anodi 6, le tubazioni 18 di raffreddamento e permettere l’alloggiamento dei magneti 8 di deflessione ed un’adeguata sezione di conduzione del catodo. ii) Il catodo 24 à ̈ collegato elettricamente tramite conduttori 7 a doppia spirale per allungare il percorso di conduzione termica e limitare le relative perdite termiche per conduzione attraverso i terminali elettrici che lo collegano all’esterno. i) The anodes 6, each having a longitudinally flattened shape comprising two faces, are positioned sideways to the cathode, with the two faces arranged symmetrically with respect to a plane passing through a diameter of the cathode 24 (in the case of a pair of anodes 6, as in Figures 2 and 6, 6A, the two flat faces of the two anodes are arranged symmetrically with respect to the same diametrical plane), instead of facing frontally as in the known art, with the tangents to the facing surfaces of an anode 6 and cathode 24 such angles included, but not exclusively included, between 70 ° and 180 °, in particular in the case of cylindrical cathode in example, the angle of view varies between 85 ° and 174 ° based on the portion of the circular surface considered, which preferably approach 180 °, so that at least one plane of symmetry of each element lies on the same plane of symmetry as at least one other different of these electrodes (if one is a cathode, the other is a anode), and so that the angle of view of each surface of cathode 24 and anode 6 is as wide as possible, tending to approach 180 °, in order to obtain in this way a low heat exchange between cathode 24 and anodes 6 due to to the low coefficient of view between the respective surfaces. This angle, which must be as close as possible to 180 °, depends on the dimensioning of the cooling tubes 18 and on the conduction section of the cathode 24, and is necessary to contain inside, in thermal contact with the anodes 6, the cooling pipes 18 and allow the housing of the deflection magnets 8 and an adequate conduction section of the cathode. ii) The cathode 24 is electrically connected by means of double spiral conductors 7 to lengthen the thermal conduction path and limit the relative thermal losses due to conduction through the electrical terminals that connect it to the outside.
iii) Tutta la superficie interna perimetrale del tubo 3 viene rivestita da uno strato riflettente depositato sulla parete, preferibilmente formato da un sottile foglio di metallo riflettente, o da più di uno strato riflettente, preferibilmente sette strati (87.5%), ancora meglio con diciannove strati con i quali si arriva al 95% di efficienza degli schermi, in funzione di schermi di radiazione in sé noti, disposti in modo concentrico, separati da spazi vuoti tramite opportuni distanziatori, eccettuata una striscia longitudinale in corrispondenza di e atta a definire la finestratura 4 di accesso attraverso la quale entra il fascio di luce solare concentrata secondo un angolo di apertura facilmente dimensionabile, preferibilmente compreso tra 10° e 60°, più preferibilmente compreso tra 10° e 45°, ancora più preferibilmente compreso tra 10° e 40°. Il primo strato interno degli schemi di radiazione può essere costituito da uno specchio cilindrico (non mostrato), depositato su supporto elettricamente isolante, o depositato direttamente sulla parete interna del tubo 3 a vuoto, disposto con modalità in sé note in modo concentrico lungo la superficie interna parallelamente all’asse del tubo 3 a vuoto, eccettuata la striscia longitudinale della finestratura 4 di accesso, per riflettere la radiazione emessa dal catodo 24 di nuovo sul catodo 24, allo scopo di ridurre le perdite per irraggiamento verso l’esterno ed aumentare il rendimento alle alte temperature, ed isolare elettricamente la faccia posteriore in modo da limitare la possibile emissione termoionica del primo strato dello schermo verso i successivi strati di schermatura. Questo specchio può essere vantaggiosamente formato, in alternativa, da un cilindro metallico lucidato a specchio o reso speculare tramite deposizione di uno strato riflettente, con la superficie esterna trattata tramite l’apposizione di uno strato elettricamente isolante, che può essere realizzato come uno strato di ossido dello stesso metallo o tramite deposizione di uno strato di refrattario isolante o tramite vetrificazione superficiale o altro trattamento isolante in sé noto, con la stessa forma, le stesse funzioni e la stessa disposizione di quello appena precedentemente descritto. iii) The entire perimeter internal surface of the tube 3 is coated with a reflective layer deposited on the wall, preferably formed by a thin sheet of reflective metal, or by more than one reflective layer, preferably seven layers (87.5%), even better with nineteen layers with which 95% efficiency of the screens is reached, as a function of radiation screens known per se, arranged concentrically, separated by empty spaces by means of suitable spacers, except for a longitudinal strip in correspondence with and designed to define the access window 4 through which the concentrated sunlight beam enters according to an opening angle that can be easily dimensioned, preferably between 10 ° and 60 °, more preferably between 10 ° and 45 °, even more preferably between 10 ° and 40 ° °. The first internal layer of the radiation patterns can be constituted by a cylindrical mirror (not shown), deposited on an electrically insulating support, or deposited directly on the internal wall of the vacuum tube 3, arranged in a per se known manner in a concentric manner along the internal surface parallel to the axis of the vacuum tube 3, except for the longitudinal strip of the access window 4, to reflect the radiation emitted by the cathode 24 back onto the cathode 24, in order to reduce the losses due to irradiation towards the outside and increasing the efficiency at high temperatures, and electrically insulating the rear face so as to limit the possible thermionic emission of the first layer of the shield towards the subsequent shielding layers. This mirror can be advantageously formed, alternatively, by a mirror-polished metal cylinder or made specular by depositing a reflective layer, with the external surface treated by applying an electrically insulating layer, which can be made as a layer of oxide of the same metal or by depositing an insulating refractory layer or by surface vitrification or other insulating treatment known per se, with the same shape, the same functions and the same arrangement as that just described above.
Essendo posizionati all'interno del tubo 3 a vuoto con disposizione concentrica, questi schermi rifletteranno la radiazione irraggiata dal catodo 24, nel modo più efficiente possibile, di nuovo al centro, sul catodo 24. In questo modo si può ottenere un'efficienza di isolamento termico del catodo 24 per la parte schermata che può andare dal 77% all'84% dell’irraggiamento totale o anche superiore. Being positioned inside the vacuum tube 3 with concentric arrangement, these screens will reflect the radiation irradiated from cathode 24, as efficiently as possible, back to the center, on cathode 24. In this way an insulation efficiency can be obtained cathode 24 for the shielded part which can go from 77% to 84% of the total irradiation or even higher.
Due ulteriori schermi riflettenti 31 a forma di disco possono essere montati alle due estremità all'interno del tubo a vuoto dello stesso materiale del primo schermo, con fori di passaggio per il catodo ed i tubi degli anodi, isolati da questi e collegati elettricamente allo schermo interno della parete cilindrica, per riflettere la radiazione in direzione assiale. Two further disc-shaped reflective screens 31 can be mounted at both ends inside the vacuum tube of the same material as the first screen, with passage holes for the cathode and the anode tubes, isolated from these and electrically connected to the screen inside the cylindrical wall, to reflect the radiation in the axial direction.
Funzionamento Operation
Sebbene non sia limitato necessariamente all’uso con luce solare, potendo essere sottoposto a radiazione proveniente da altre sorgenti, nel seguito viene illustrato il funzionamento del convertitore termoionico quando esposto a luce solare. Although it is not necessarily limited to use in sunlight, as it may be subjected to radiation from other sources, the operation of the thermionic converter when exposed to sunlight is illustrated below.
La luce diretta del sole, la cui superficie si trova a 5500°C, permette di sfruttare un ciclo termodinamico apicale a temperature intorno a 3000°C a cui possono resistere i materiali refrattari come tungsteno (che a 3387°C fonde) e grafite (che a 3600°C sublima) permettendo di ottenere rendimenti elevati. Con riferimento alle Figure 1-8, la luce viene concentrata sul catodo 24 a spirale cilindrica di un tubo 3 a vuoto spinto, da specchi pianoparabolici 2 o altri sistemi ottici per un fattore dell’ordine di grandezza di 1:100. Direct sunlight, whose surface is at 5500 ° C, makes it possible to exploit an apical thermodynamic cycle at temperatures around 3000 ° C which refractory materials such as tungsten (which melts at 3387 ° C) and graphite ( which sublimates at 3600 ° C) allowing to obtain high yields. With reference to Figures 1-8, the light is concentrated on the cylindrical spiral cathode 24 of a high vacuum tube 3, by piano-parabolic mirrors 2 or other optical systems by a factor of the order of magnitude of 1: 100.
Il catodo 24 ha funzione di captatore della radiazione solare e di emettitore di elettroni per emissione termoionica. Per massimizzare la funzione di captazione, la superficie à ̈ trattata per renderla porosa e non riflettente e/o rivestita da un rivestimento selettivo in carbonio in sé noto, a bassa emissività ed alto coefficiente di assorbimento. Il catodo 24 à ̈ montato al centro di un sistema di schermi riflettenti disposti all’interno lungo la parete del tubo 3 ad eccezione di un settore 4 che à ̈ lasciato libero per l’ingresso della luce, ad una distanza tale da non comportare surriscaldamenti eccessivi degli strati riflettenti ed evitare deformazioni degli stessi. La sezione ipotizzata del tubo 3 può essere compresa, a titolo esemplificativo ma non a titolo limitativo, tra 100 mm e 250 mm di diametro. Alle due estremità del catodo 24 sono stati previsti percorsi allungati per i terminali di uscita, dello stesso materiale del catodo 24, per ridurre le perdite di calore per trasmissione ed abbassare la temperatura dei terminali di uscita nella zona in cui attraversano il diaframma 23 di chiusura. Questi percorsi sono realizzati a partire da un disco pieno tagliato quasi completamente nello spessore, in modo da realizzare due dischi paralleli uniti per un tratto vicino al bordo e lavorati a spirale tramite fresatura o altra lavorazione in se nota elettrica, ottica, chimica o tramite preformazione per sinterizzazione. Questa forma permette la dilatazione del materiale, che per il tungsteno a 3000°C, corrisponde a circa 15 mm/m. Per la dilatazione lineare di 15mm/m à ̈ sufficiente montare il catodo 24 mettendo in pretensionamento i supporti elastici in modo da lasciare, nell’esempio rappresentato, circa 10 mm per parte di luce aggiuntiva tra le zone centrali di due dischi a spirale. Nel caso che l’intensità della tensione meccanica generata dal prepensionamento non possa essere sopportata dai diaframmi elastici o dal tubo di contenimento, si può prevedere di scaricarla sugli anodi tramite un elemento di collegamento meccanico isolato elettricamente 30, oppure optare per un catodo uscente da una sola estremità . Questo elemento 30 può fare anche da ponte termico per la gestione del flusso termico tra il terminale del catodo ed il successivo anodo (di due rispettivi convertitori collegati in serie) per gestire gli effetti di Peltier e Seebeck dovuti al flusso termico ed elettrico su terminali di metalli diversi. The cathode 24 acts as a collector of solar radiation and as an electron emitter for thermionic emission. To maximize the uptake function, the surface is treated to make it porous and non-reflective and / or coated with a per se known selective carbon coating, with low emissivity and high absorption coefficient. The cathode 24 is mounted in the center of a system of reflecting screens arranged inside along the wall of the tube 3 with the exception of a sector 4 which is left free for the entry of light, at a distance such as not to cause excessive overheating of the reflective layers and avoid deformation of the same. The hypothesized section of the tube 3 can be comprised, by way of example but not by way of limitation, between 100 mm and 250 mm in diameter. At the two ends of the cathode 24 elongated paths have been provided for the output terminals, made of the same material as the cathode 24, to reduce heat losses due to transmission and lower the temperature of the output terminals in the area where they pass through the closing diaphragm 23. . These paths are made starting from a solid disc cut almost completely in the thickness, so as to create two parallel discs joined for a stretch close to the edge and worked in a spiral by milling or other processing in itself known electrical, optical, chemical or by pre-forming by sintering. This shape allows the expansion of the material, which for tungsten at 3000 ° C, corresponds to about 15 mm / m. For the linear expansion of 15mm / m it is sufficient to mount the cathode 24 by pre-tensioning the elastic supports so as to leave, in the example shown, about 10 mm for the additional light part between the central areas of two spiral discs. In the event that the intensity of the mechanical tension generated by early retirement cannot be withstood by the elastic diaphragms or by the containment tube, it can be envisaged to discharge it on the anodes through an electrically insulated mechanical connection element 30, or to opt for a cathode exiting from only one end. This element 30 can also act as a thermal bridge for the management of the thermal flow between the cathode terminal and the subsequent anode (of two respective converters connected in series) to manage the Peltier and Seebeck effects due to the thermal and electrical flow on the different metals.
L’energia emessa dal catodo 24 per irraggiamento, viene riflessa e riconcentrata sul catodo stesso in modo da contenere efficacemente le perdite per irraggiamento, preponderanti a queste temperature. Per un sistema di schermi con 19 strati l’efficienza degli schermi à ̈ del 95% e si applica ad un settore di 320°, la parte coperta dagli schermi, che à ̈ l’89% della superficie totale della parete interna del tubo 3 a vuoto, ottenendo un’efficienza di schermatura per l’applicazione dell’84%. The energy emitted by the cathode 24 by irradiation is reflected and reconcentrated on the cathode itself so as to effectively contain the losses due to irradiation, predominant at these temperatures. For a system of screens with 19 layers, the efficiency of the screens is 95% and applies to a sector of 320 °, the part covered by the screens, which is 89% of the total surface of the internal wall of the vacuum tube 3, obtaining a shielding efficiency for the application of 84%.
Gli schermi hanno anche una funzione elettrica: il tubo 3 a vuoto costituisce una camera di espansione degli elettroni emessi dal catodo 24 e gli schermi caricati negativamente ne costituiscono le pareti di contenimento in modo che gli elettroni energetici emessi dal catodo 24 vengano deflessi e riflessi dal campo elettrico e non possano impattare su di essi surriscaldandoli. A questo scopo possono essere ulteriormente montati due schermi aggiuntivi 31 a forma di disco, di fronte alle spirali di sospensione, posizionati tra queste e gli anodi e collegati elettricamente agli altri schermi per completare la camera di espansione degli elettroni in direzione assiale. The screens also have an electrical function: the vacuum tube 3 constitutes an expansion chamber for the electrons emitted by the cathode 24 and the negatively charged screens constitute its containment walls so that the energetic electrons emitted by the cathode 24 are deflected and reflected by the electric field and cannot impact on them by overheating them. For this purpose, two additional disc-shaped shields 31 can be further mounted, opposite the suspension spirals, positioned between them and the anodes and electrically connected to the other shields to complete the electron expansion chamber in the axial direction.
La polarizzazione di questi schermi, che si comportano elettricamente come un condensatore, può essere lasciata alla carica elettrostatica che si accumula all’inizio, dovuta ai primi impatti, controllandone dall’esterno il valore massimo di tensione in modo da tenerlo al disotto della tensione di emissione degli elettroni del materiale che li costituisce alla temperatura di equilibrio degli schermi stessi. A questo scopo gli schermi sono collegati elettricamente ad un piedino dello zoccolo 21 dei collegamenti elettrici. Materiali adatti al primo strato interno degli schermi sono il nichel, il ferro, il cromo o il molibdeno per l’alta temperatura di fusione e l’elevata funzione di lavoro permettendo di lavorare a temperatura e tensione di polarizzazione negativa più alta, prima che comincino ad emettere elettroni. Oppure, come primo strato riflettente, può essere inserito uno specchio cilindrico, realizzato con uno strato riflettente depositato su vetro o su altro supporto isolante refrattario, eccettuata una striscia longitudinale che forma la finestratura 4 di accesso, per migliorare la riflessione del primo strato ed evitare l’emissione termoionica dello stesso verso gli strati successivi più esterni. Gli altri schermi possono essere realizzati in fogli di alluminio lucido. Una tensione di polarizzazione adatta potrebbe essere intorno ai -20V riferita al catodo 24, ma il valore ottimale andrà individuato tramite la misura delle curve di polarizzazione del componente e può variare in base alla geometria ed alle altre caratteristiche del dispositivo. Inoltre, il catodo 24 a spirale cilindrica genera un campo magnetico assiale, utile per deflettere gli elettroni emessi dal catodo stesso verso gli anodi 6 disposti diametralmente. A tale campo magnetico assiale contribuisce anche la forma a doppia spirale dei conduttori 7 di sospensione del catodo 24. The polarization of these screens, which behave electrically like a capacitor, can be left to the electrostatic charge that accumulates at the beginning, due to the first impacts, by controlling the maximum voltage value from the outside in order to keep it below the emission voltage of the electrons of the material that constitutes them at the equilibrium temperature of the screens themselves. For this purpose the screens are electrically connected to a pin of the socket 21 of the electrical connections. Materials suitable for the first internal layer of the screens are nickel, iron, chromium or molybdenum for the high melting temperature and the high working function allowing to work at higher temperature and negative polarization voltage, before that they begin to emit electrons. Or, as the first reflective layer, a cylindrical mirror can be inserted, made with a reflective layer deposited on glass or other refractory insulating support, except for a longitudinal strip that forms the access window 4, to improve the reflection of the first layer and avoid the thermionic emission of the same towards the subsequent outer layers. The other screens can be made of shiny aluminum foil. A suitable bias voltage could be around -20V referred to cathode 24, but the optimal value will be identified by measuring the component bias curves and may vary according to the geometry and other characteristics of the device. Furthermore, the cylindrical spiral cathode 24 generates an axial magnetic field, useful for deflecting the electrons emitted by the cathode itself towards the diametrically arranged anodes 6. The double spiral shape of the suspension conductors 7 of the cathode 24 also contributes to this axial magnetic field.
Gli anodi 6 sono composti da due profili metallici al cui interno passa la tubazione 18 di raffreddamento. Sono disposti lateralmente paralleli al catodo 24, di profilo in modo da presentare un coefficiente di vista, rispetto al catodo 24, più basso possibile. Il coefficiente di vista tra anodi 6 e catodo 24 nella disposizione rappresentata nella Figura 2 à ̈ di 0.19 che corrisponde al 19%. Le tubazioni 18 di raffreddamento degli anodi 6 che fungono anche da collegamenti elettrici, escono attraverso i diaframmi elastici 22 dalle pareti laterali e devono essere collegate al sistema di raffreddamento ed ai cavi di collegamento elettrico. All’interno dei tubi 18 di raffreddamento può essere alloggiata una fila di magneti permanenti 8 con i campi magnetici allineati, orientati in antiparallelo ed equispaziati, in modo che le linee di campo negli spazi tra uno ed il successivo, si dispongano il più possibile orizzontalmente e parallelamente alla superficie degli anodi 6 eccetto che in corrispondenza dei poli. Questo contribuisce ulteriormente alla deflessione degli elettroni ortogonale alle linee di flusso, favorendo l’impatto con la superficie degli anodi 6, o l’instradamento e la cattura verso i poli. The anodes 6 are composed of two metal profiles inside which the cooling pipe 18 passes. They are arranged laterally parallel to the cathode 24, in profile so as to present a coefficient of view, with respect to the cathode 24, as low as possible. The view coefficient between anodes 6 and cathode 24 in the arrangement shown in Figure 2 is 0.19 which corresponds to 19%. The cooling pipes 18 of the anodes 6, which also act as electrical connections, exit through the elastic diaphragms 22 from the side walls and must be connected to the cooling system and to the electrical connection cables. Inside the cooling tubes 18 a row of permanent magnets 8 can be housed with the magnetic fields aligned, oriented in antiparallel and equally spaced, so that the field lines in the spaces between one and the next are arranged as much as possible horizontally and parallel to the surface of the anodes 6 except at the poles. This further contributes to the deflection of the electrons orthogonal to the flux lines, favoring the impact with the surface of the anodes 6, or the routing and capture towards the poles.
Quando sono presenti tutte le griglie sopra illustrate, la coppia di griglie 13 di controllo disposta vicino alla superficie del catodo 24 ha polarizzazione leggermente negativa rispetto al catodo 24 (ad esempio -1 V) in modo da selezionare gli elettroni con energia più alta della media e schermare contemporaneamente il campo del catodo 24, che, emettendo elettroni assume una carica positiva e che tenderebbe a rallentare e riattrarre gli elettroni uscenti. (Le tensioni nel seguito saranno indicate rispetto al potenziale del catodo 24). Gli elettroni, superata la prima griglia tenderanno a diffondersi nello spazio intorno al catodo 24 degradando di densità verso le pareti del tubo 3 a causa del campo elettrico negativo delle pareti formando una zona di carica spaziale. Per compensare la carica spaziale formatasi, si utilizzano la seconda e la terza serie di griglie 14 e15 di deflessione che a questo scopo vengono polarizzate da un generatore esterno ad un valore di tensione positiva. Questa griglia 14 e le successive griglie 15 di deflessione, essendo polarizzate positivamente, catturano elettroni e quindi consumano energia. Il valore di tensione della griglia 14 e della serie di griglie 15 di deflessione successive viene dimensionato in base alla percentuale di potenza che si intende impegnare e potrebbe attestarsi intorno a 10 V per la griglia 14 di deflessione, ed intorno a 15 V per la griglia 15 di deflessione e compensazione della carica spaziale. Un compromesso accettabile à ̈ quello di utilizzare il 10% della potenza resa per questo impiego. Un ulteriore sistema di griglie, il quarto, à ̈ disposto intorno agli anodi 6 ed à ̈ polarizzato alla tensione del catodo 24 in funzione di schermo della carica negativa degli anodi 6. Si suppone di poter ottenere una tensione di funzionamento del dispositivo compresa tra 1V e 5V, ma la tensione ottimale dovrà essere trovata tramite l’indagine delle curve di funzionamento per ottenere il massimo rendimento di conversione, con tecniche note all’esperto del ramo. When all the grids illustrated above are present, the pair of control grids 13 arranged near the surface of the cathode 24 has slightly negative polarization with respect to the cathode 24 (for example -1 V) in order to select the electrons with higher than average energy and at the same time shielding the field of the cathode 24, which, by emitting electrons, assumes a positive charge and which would tend to slow down and re-attract the outgoing electrons. (The voltages below will be indicated with respect to the potential of cathode 24). The electrons, having passed the first grid, will tend to diffuse in the space around the cathode 24 degrading in density towards the walls of the tube 3 due to the negative electric field of the walls forming a zone of space charge. To compensate for the space charge formed, the second and third series of deflection grids 14 and 15 are used which for this purpose are biased by an external generator to a positive voltage value. This grid 14 and subsequent deflection grids 15, being positively polarized, capture electrons and therefore consume energy. The voltage value of the grid 14 and of the series of subsequent deflection grids 15 is sized according to the percentage of power to be used and could be around 10 V for the deflection grid 14, and around 15 V for the grid. 15 for deflection and space charge compensation. An acceptable compromise is to use 10% of the output power for this use. A further system of grids, the fourth, is arranged around the anodes 6 and is biased to the voltage of the cathode 24 as a shield for the negative charge of the anodes 6. It is assumed that an operating voltage of the device between 1V can be obtained. and 5V, but the optimal voltage will have to be found through the investigation of the operating curves to obtain the maximum conversion efficiency, with techniques known to the expert in the field.
Un ultimo sistema di griglie può essere così posizionato: due lateralmente agli anodi 6 e due in asse col catodo 24; le prime per riflettere gli elettroni che rimbalzano sugli anodi 6; le seconde per deflettere lateralmente gli elettroni emessi in asse col catodo 24. Queste ultime sono polarizzate negativamente. A final system of grids can be positioned as follows: two laterally to the anodes 6 and two in axis with the cathode 24; the former to reflect the electrons bouncing off the anodes 6; the latter to laterally deflect the electrons emitted in axis with the cathode 24. The latter are negatively polarized.
In realtà , nessuna delle griglie appena descritte à ̈ strettamente necessaria, ed altri convertitori termoionici secondo l’invenzione possono comprendere soltanto la griglia 15 di compensazione della carica spaziale oppure possono non comprendere alcuna griglia o ancora utilizzare vapori di cesio ionizzati per la neutralizzazione della carica spaziale secondo le tecniche note. In reality, none of the grids just described is strictly necessary, and other thermionic converters according to the invention may comprise only the space charge compensation grid 15 or may not include any grid or still use ionized cesium vapors for the neutralization of the space charge according to known techniques.
Facendo riferimento alla Figura 1, l’obiettivo che ci si propone à ̈ quello di ottenere un dispositivo 1 che possa produrre circa 1000 W per metro lineare di sviluppo con specchi 2 di 2.5 m di apertura. Con una tensione di lavoro di 1V occorre gestire correnti di 1000 A per m richiedendo di suddividere il dispositivo 1 in più elementi più corti per la necessità di aumentare eccessivamente la sezione di conduzione del catodo 24 e dei terminali di uscita. In questa condizione, con la forma mostrata in Figura 1, con la lunghezza di 1 metro, occorre una densità di corrente emessa di: 1000 A / 706 cm^2 = 1.42 A/cm^2 , compatibile con la densità di emissione di saturazione del tungsteno a 2500°C che à ̈ di 2.9 A/cm^2 e ampiamente compatibile con possibilità di innalzare la tensione di lavoro portando la temperatura a 3000°C a cui corrisponde una corrente di saturazione di 72 A/cm^2. Ancora più vantaggioso sarà il funzionamento all’aumentare della tensione di uscita, richiedendo correnti di funzionamento più basse. Referring to Figure 1, the proposed goal is to obtain a device 1 that can produce about 1000 W per linear meter of development with mirrors 2 of 2.5 m of aperture. With a working voltage of 1V it is necessary to manage currents of 1000 A per m by requiring the device 1 to be divided into several shorter elements due to the need to excessively increase the conduction section of the cathode 24 and of the output terminals. In this condition, with the shape shown in Figure 1, with the length of 1 meter, an emitted current density of: 1000 A / 706 cm ^ 2 = 1.42 A / cm ^ 2 is required, compatible with the saturation emission density of tungsten at 2500 ° C which is 2.9 A / cm ^ 2 and widely compatible with the possibility of raising the working voltage by bringing the temperature to 3000 ° C which corresponds to a saturation current of 72 A / cm ^ 2. Even more advantageous will be the operation when the output voltage increases, requiring lower operating currents.
Questo calcolo esemplificativo permette di dimostrare che il dispositivo dell'invenzione realizza condizioni ottimali di lavoro anche e soprattutto a basse densità di emissione. This illustrative calculation allows to demonstrate that the device of the invention achieves optimal working conditions even and above all at low emission densities.
Esempio della valutazione del rendimento totale secondo una realizzazione del dispositivo dell'invenzione, considerando le varie perdite ed i relativi rendimenti: Example of the evaluation of the total yield according to an embodiment of the device of the invention, considering the various losses and the relative yields:
La radiazione solare, per essere raccolta, incontra prima gli specchi 2 di concentrazione con un rendimento del 90%, poi la parete di vetro della finestratura 4 che ha un rendimento di circa il 92%; con un rendimento composto fin qui di 0.83. In order to be collected, the solar radiation first encounters the concentration mirrors 2 with an efficiency of 90%, then the glass wall of the window 4 which has an efficiency of approximately 92%; with a compound yield of 0.83 to date.
Le perdite di captazione sul catodo 24 possono essere stimate intorno al 5%, con una rendimento di captazione quindi del 95%, ed un rendimento composto di 0.79. Il rendimento termodinamico teorico del ciclo di Carnot equivalente con queste temperature (3000°C per il catodo 24, 100°C per gli anodi 6) si attesta all’88.6%; per un rendimento composto di 0.70. A questo vanno sottratte le perdite per irraggiamento tra catodo 24 ed anodi 6 (stimabili nello 19%), le perdite per irraggiamento attraverso la finestratura 4 di ingresso (stimabili in un 11% per la configurazione proposta), le perdite per irraggiamento attraverso gli schermi di radiazione (stimabili in un 4%), per un totale di perdite di irraggiamento del 34%, ed un rendimento della coibentazione del 66%; con un rendimento composto di 0.46. Vanno ora considerate le perdite per conduzione termica sui terminali elettrici del catodo 24 (stimabili in un 5%) con un rendimento composto che fin qui ammonta allo 0.44; le perdite di conversione dovute alla carica spaziale e alla polarizzazione delle griglie (stimabili in un 10%) con un rendimento composto di 0.40, le perdite elettriche per effetto Joule sui collegamenti elettrici (stimabili in un 15%), ottenendo infine un rendimento elettrico totale stimato del sistema del 34%. Stimando un recupero termico di circa un 5%, tramite i tubi di raffreddamento del calore di scarto del ciclo di Carnot, un 5% sulle perdite per conduzione termica, ed un 5% su quelle elettriche (perdite per effetto joule sugli anodi), si può calcolare un recupero di cogenerazione di circa il 15% come energia termica che aggiunto al rendimento elettrico porta ad un rendimento totale dell’ impianto in opera che può essere stimato vicino al 49% ma che può risultare più alto in caso di eliminazione delle griglie. The collection losses on the cathode 24 can be estimated at around 5%, with a collection efficiency of 95%, and a compound efficiency of 0.79. The theoretical thermodynamic efficiency of the Carnot cycle equivalent with these temperatures (3000 ° C for the cathode 24, 100 ° C for the anodes 6) is 88.6%; for a compound yield of 0.70. To this must be subtracted the losses due to radiation between cathode 24 and anodes 6 (estimated at 19%), the losses due to radiation through the window 4 inlet (estimated at 11% for the proposed configuration), the losses due to radiation through the screens of radiation (estimated at 4%), for a total radiation loss of 34%, and an insulation efficiency of 66%; with a compound yield of 0.46. The losses due to thermal conduction on the electrical terminals of the cathode 24 must now be considered (estimated at 5%) with a compound efficiency which up to now amounts to 0.44; the conversion losses due to the space charge and the polarization of the grids (estimated at 10%) with a compound efficiency of 0.40, the electrical losses due to the Joule effect on the electrical connections (estimated at 15%), finally obtaining a total electrical efficiency estimated of the system of 34%. Estimating a thermal recovery of about 5%, through the cooling tubes of the waste heat of the Carnot cycle, a 5% on the losses due to thermal conduction, and a 5% on the electrical ones (losses due to the joule effect on the anodes), we can calculate a cogeneration recovery of about 15% as thermal energy which, added to the electrical efficiency, leads to a total efficiency of the plant in operation which can be estimated close to 49% but which can be higher in case of elimination of the grids .
Riepilogando: 90% rendimento degli specchi; 38% rendimento elettrico del convertitore; 15% recupero termico; per un rendimento totale stimato dell’impianto del 49%. Questo rendimento à ̈ elevatissimo se confrontato con quello delle celle fotovoltaiche commerciali, che si attesta al massimo al 14-15%, con ingombri di superfici molto maggiori. In summary: 90% efficiency of the mirrors; 38% electrical efficiency of the converter; 15% heat recovery; for an estimated total yield of the plant of 49%. This efficiency is very high when compared with that of commercial photovoltaic cells, which reaches a maximum of 14-15%, with much larger space requirements.
Tutti i dimensionamenti sono alla portata del tecnico del ramo, che à ̈ in grado di realizzare l'invenzione attraverso la lettura del testo e le viste delle figure. All dimensions are within the reach of the person skilled in the art, who is able to realize the invention by reading the text and views of the figures.
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